A Magnetic Monopole Antenna - Sorbonne Université Access content directly
Journal Articles ACS photonics Year : 2023

A Magnetic Monopole Antenna

Abstract

Magnetic monopoles are hypothetical particles which, similarly to the electric monopoles that generate electric fields, are at the origin of magnetic fields. Despite many efforts, to date, these theoretical particles have yet to be observed. Nevertheless, many systems or physical phenomena mimic the behavior of magnetic monopoles. Here, we propose a new type of photonic nanoantenna behaving as a radiating magnetic monopole. We demonstrate that a half-nanoslit in a semi-infinite gold layer generates a single pole of an enhanced magnetic field at the nanoscale and that this single pole radiates efficiently in the far field. We also introduce an effective magnetic charge using Gauss's law of magnetism, in analogy to the electric charge, which further highlights the monopolar behavior of this new antenna. Finally, we show that different plasmonic and metallic materials can provide magnetic monopole antennas covering the visible to near infrared range, and even down to GHz frequencies. This original antenna concept opens the way to a new model system to study magnetic monopoles and a new optical magnetic field source to study the "magnetic light-matter coupling". Furthermore, it opens potential applications at lower frequencies, such as in magnetic resonance imaging.
Les monopôles magnétiques sont des particules hypothétiques qui, à l'instar des monopôles électriques qui génèrent des champs électriques, sont à l'origine des champs magnétiques. Malgré de nombreux efforts, ces particules théoriques n'ont pas encore été observées à ce jour. Néanmoins, de nombreux systèmes ou phénomènes physiques imitent le comportement des monopôles magnétiques. Nous proposons ici un nouveau type de nanoantenne photonique se comportant comme un monopôle magnétique rayonnant. Nous démontrons qu'un demi-nanoslit dans une couche d'or semi-infinie génère un pôle unique de champ magnétique amplifié à l'échelle nanométrique et que ce pôle unique rayonne efficacement dans le champ lointain. Nous introduisons également une charge magnétique effective en utilisant la loi de Gauss sur le magnétisme, par analogie avec la charge électrique, ce qui met encore plus en évidence le comportement monopolaire de cette nouvelle antenne. Enfin, nous montrons que différents matériaux plasmoniques et métalliques peuvent fournir des antennes monopolaires magnétiques couvrant la gamme du visible au proche infrarouge, et même jusqu'aux fréquences du GHz. Ce concept d'antenne original ouvre la voie à un nouveau système modèle pour étudier les monopôles magnétiques et à une nouvelle source de champ magnétique optique pour étudier le "couplage magnétique lumière-matière". En outre, il ouvre la voie à des applications potentielles à des fréquences plus basses, telles que l'imagerie par résonance magnétique.
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Dates and versions

hal-04191014 , version 1 (30-08-2023)

Identifiers

Cite

Benoît Reynier, Xingyu Yang, Bruno Gallas, Sébastien Bidault, Mathieu Mivelle. A Magnetic Monopole Antenna. ACS photonics, 2023, 10 (9), pp.3070-3076. ⟨10.1021/acsphotonics.3c00423⟩. ⟨hal-04191014⟩
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